JP5843682B2 - Diffusion layer structure of fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池の拡散層構造に関する。より詳しくは、固体高分子型燃料電池の拡散層構造に関する。   The present invention relates to a diffusion layer structure of a fuel cell. More specifically, the present invention relates to a diffusion layer structure of a polymer electrolyte fuel cell.

近年、自動車の新たな動力源等として、反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、電気化学反応により直接的に電気を得るため、発電効率が高い点で好ましいとされている。また燃料電池は、発電時に無害な水しか生成しないため、環境への影響の点からも好ましいとされている。   2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells that generate electricity by electrochemical reaction of reaction gases have attracted attention as new power sources for automobiles. A fuel cell is preferred in terms of high power generation efficiency because it directly obtains electricity through an electrochemical reaction. Further, since the fuel cell generates only harmless water during power generation, it is considered preferable from the viewpoint of environmental impact.

例えば固体高分子型燃料電池は、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造を有する。各セルは、膜電極構造体(MEA)を、導電性の一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極(陰極)及びカソード電極(陽極)と、これらの電極に挟持されたスルホン酸系樹脂からなる電解質膜とで構成される。両電極は、電解質膜に接する白金系の金属触媒を含む電極触媒層と、この電極触媒層に接し且つ反応ガスの供給及び生成水の排出を行う導電性の拡散層と、を備える。セパレータには、その一方の面に燃料ガス流路が形成され、他方の面に酸化剤ガス流路が形成される。   For example, a polymer electrolyte fuel cell has a stack structure in which several tens to several hundreds of cells are stacked. Each cell is configured by sandwiching a membrane electrode structure (MEA) between a pair of conductive separators. The membrane electrode structure is composed of an anode electrode (cathode) and a cathode electrode (anode), and an electrolyte membrane made of a sulfonic acid resin sandwiched between these electrodes. Both electrodes include an electrode catalyst layer containing a platinum-based metal catalyst in contact with the electrolyte membrane, and a conductive diffusion layer in contact with the electrode catalyst layer and for supplying a reaction gas and discharging generated water. The separator has a fuel gas channel formed on one surface thereof and an oxidant gas channel formed on the other surface thereof.

上記のような構成を備える固体高分子型燃料電池では、燃料ガス流路を介して、アノード電極に燃料ガスとしての水素を供給する。また、酸化剤ガス流路を介して、カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給する。すると、アノード電極に供給された水素が電極触媒層上でプロトン化され、生成したプロトンが電解質膜を介してカソード電極へと移動する。このとき、プロトンとともに生成した電子が外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。   In the polymer electrolyte fuel cell having the above-described configuration, hydrogen as fuel gas is supplied to the anode electrode via the fuel gas flow path. In addition, air as an oxidant gas is supplied to the cathode electrode via the oxidant gas flow path. Then, hydrogen supplied to the anode electrode is protonated on the electrode catalyst layer, and the generated proton moves to the cathode electrode through the electrolyte membrane. At this time, electrons generated together with protons are taken out to an external circuit and used as electric energy.

ところで、電解質膜は、水分を失うと導電性が著しく低下するため、通常、燃料ガス及び酸化剤ガスは予め加湿されてセル内に供給される。その際には、拡散層により、燃料ガス及び酸化剤ガスを効率良く供給するとともに、生成水の排出を円滑に行うことが重要である。そのため、拡散層の細孔径や密度(空孔率)、撥水性等について、様々な検討が行われている。   By the way, since the conductivity of the electrolyte membrane is significantly reduced when moisture is lost, the fuel gas and the oxidant gas are usually humidified in advance and supplied into the cell. In that case, it is important to supply fuel gas and oxidant gas efficiently by the diffusion layer and to smoothly discharge generated water. For this reason, various studies have been conducted on the pore diameter and density (porosity) of the diffusion layer, water repellency, and the like.

例えば、ガス拡散基材上に導電性撥水層を設け、この導電性撥水層の細孔径を所定範囲内に規定した燃料電池用拡散層が開示されている(特許文献1参照)。また、炭素繊維を樹脂炭化物で結着することにより形成され、細孔径及び炭素繊維径を所定範囲内に規定した拡散層としての多孔質炭素シートが開示されている(特許文献2参照)。   For example, a fuel cell diffusion layer is disclosed in which a conductive water-repellent layer is provided on a gas diffusion substrate and the pore diameter of the conductive water-repellent layer is defined within a predetermined range (see Patent Document 1). Further, a porous carbon sheet is disclosed as a diffusion layer formed by binding carbon fibers with resin carbide and defining the pore diameter and the carbon fiber diameter within a predetermined range (see Patent Document 2).

特開2010−129310号公報JP 2010-129310 A 国際公開第2007/037084号International Publication No. 2007/037084

ところで、従来の燃料電池では、運転状態が定常状態の場合には、加湿ガスの流量や負荷電流値を一定の範囲内で制御することで、安定した発電性能を示す。しかしながら、運転状態が刻々と変わる自動車用途では、安定した発電性能が得られていないのが現状であり、運転状態によらずに高い発電性能が得られる燃料電池が求められている。特に、常温からの始動を考慮して、常温〜80℃以上の広い温度範囲において、加湿状態によらずに安定して高い発電性能が得られる燃料電池が求められる。   By the way, the conventional fuel cell exhibits stable power generation performance by controlling the flow rate of the humidified gas and the load current value within a certain range when the operation state is a steady state. However, in automotive applications where the driving state changes every moment, the current situation is that stable power generation performance is not obtained, and there is a demand for a fuel cell capable of obtaining high power generation performance regardless of the driving state. In particular, in consideration of starting from normal temperature, a fuel cell that can stably obtain high power generation performance regardless of the humidified state in a wide temperature range from normal temperature to 80 ° C. or more is required.

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い温度範囲で、加湿状態によらずに安定して高い発電性能が得られる燃料電池の拡散層構造を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a diffusion layer structure of a fuel cell that can stably obtain high power generation performance in a wide temperature range regardless of the humidified state.

上記目的を達成するため本発明は、電解質膜(例えば、後述の高分子電解質膜21)の両側に電極が設けられた膜電極構造体(例えば、後述の膜電極構造体20)に配置された燃料電池(例えば、固体高分子型燃料電池1)の拡散層構造(例えば、後述の拡散層構造10)であって、拡散層(例えば、後述の拡散層11)と、上記電解質膜側の上記拡散層上に形成され且つ主としてカーボン及びフッ素樹脂からなる微多孔層(例えば、後述の微多孔層12)と、を備え、透過面積1.86cmの上記拡散層に対して流量2L/分の空気が透過するときに生じる圧力損失の実測値をP1とし、下記式(1)で定義される上記圧力損失の理論値をP2としたときに、上記P2に対する上記P1の比P1/P2が、2〜15であり、上記微多孔層の透水圧が、5〜180kPaであることを特徴とする燃料電池の拡散層構造を提供する。

Figure 0005843682
[式(1)中、厚みは上記拡散層の厚み(μm)を表し、空孔率は上記拡散層の空孔率(%)を表し、平均流量細孔径は上記拡散層の平均流量細孔径(μm)を表す。] In order to achieve the above object, the present invention is disposed in a membrane electrode structure (for example, a membrane electrode structure 20 described later) in which electrodes are provided on both sides of an electrolyte membrane (for example, a polymer electrolyte membrane 21 described later). A diffusion layer structure (for example, a later-described diffusion layer structure 10) of a fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell 1), the diffusion layer (for example, a later-described diffusion layer 11), and the above-described electrolyte membrane side A microporous layer (for example, microporous layer 12 described later) formed mainly on carbon and a fluororesin, and having a flow rate of 2 L / min with respect to the diffusion layer having a transmission area of 1.86 cm 2 . When the actual measurement value of the pressure loss generated when the air permeates is P1, and the theoretical value of the pressure loss defined by the following formula (1) is P2, the ratio P1 / P2 of the P1 to the P2 is: 2 to 15 and the microporous layer The fuel cell diffusion layer structure is characterized by having a hydraulic pressure of 5 to 180 kPa.
Figure 0005843682
[In the formula (1), the thickness represents the thickness (μm) of the diffusion layer, the porosity represents the porosity (%) of the diffusion layer, and the average flow pore diameter represents the average flow pore diameter of the diffusion layer. (Μm). ]

本発明では、電解質膜側の拡散層上に、主としてカーボン及びフッ素樹脂からなる微多孔層を設ける。また、上記式(1)で表される拡散層の圧力損失の理論値P2に対する実測値P1の比P1/P2を、2〜15の範囲内に設定する。
ここで、拡散層の圧力損失の理論値P2に対する実測値P1の比P1/P2は、拡散層内の細孔の屈曲性と相関のあるパラメータである。即ち、P1/P2の値が大きいほど拡散層内の細孔の屈曲性が高く、細孔が曲がりくねっていることを意味する。従って、P1/P2の値を2〜15の範囲内に制限することにより、細孔の屈曲性を抑制できるため、拡散層の圧力損失が抑制され、電極で生じた水蒸気が効率良く排出される。そのため、電極近傍の酸素分圧を高めることができ、発電性能を向上できる。また、水蒸気が効率良く排出されることで、低温時における水蒸気の凝縮が抑制され、フラッティングの発生を抑制できる。従って、本発明によれば、低温域から高温域まで幅広い温度範囲で、高い発電性能が得られる。特に、低温高加湿時において、高い発電性能が得られる。
In the present invention, a microporous layer mainly composed of carbon and fluororesin is provided on the diffusion layer on the electrolyte membrane side. Further, the ratio P1 / P2 of the actually measured value P1 to the theoretical value P2 of the pressure loss of the diffusion layer represented by the above formula (1) is set within the range of 2-15.
Here, the ratio P1 / P2 of the actual measurement value P1 to the theoretical value P2 of the pressure loss of the diffusion layer is a parameter correlated with the flexibility of the pores in the diffusion layer. That is, the larger the value of P1 / P2, the higher the flexibility of the pores in the diffusion layer, which means that the pores are winding. Therefore, by limiting the value of P1 / P2 within the range of 2 to 15, the flexibility of the pores can be suppressed, so that the pressure loss of the diffusion layer is suppressed, and the water vapor generated at the electrode is efficiently discharged. . Therefore, the oxygen partial pressure in the vicinity of the electrode can be increased, and the power generation performance can be improved. In addition, since the water vapor is efficiently discharged, the condensation of the water vapor at a low temperature is suppressed, and the occurrence of flatting can be suppressed. Therefore, according to the present invention, high power generation performance can be obtained in a wide temperature range from a low temperature range to a high temperature range. In particular, high power generation performance can be obtained at low temperature and high humidity.

また、本発明では、上記P1/P2を上記範囲内に設定するとともに、微多孔層の透水圧を、5〜180kPaの範囲内に設定する。これにより、電極で生じた生成水が微多孔層を透過して排出されるのを抑制でき、生成水を電極側で保持できる。そのため、膜電極構造体を保湿でき、加湿状態によらずに高い発電性能が得られる。特に、高温低加湿時において、高い発電性能が得られる。   Moreover, in this invention, while setting said P1 / P2 in the said range, the water-permeable pressure of a microporous layer is set in the range of 5-180 kPa. Thereby, it is possible to suppress the generated water generated at the electrode from being discharged through the microporous layer, and the generated water can be held on the electrode side. Therefore, the membrane electrode structure can be moisturized and high power generation performance can be obtained regardless of the humidified state. In particular, high power generation performance can be obtained at high temperature and low humidity.

本発明によれば、広い温度範囲で、加湿状態によらずに安定して高い発電性能が得られる燃料電池の拡散層構造を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the diffusion layer structure of the fuel cell which can obtain stably high electric power generation performance in a wide temperature range irrespective of a humidification state can be provided.

本発明の一実施形態に係る固体高分子型燃料電池の拡散層構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the diffusion layer structure of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 圧力損失測定装置の構成を示す図であり、(A)が全体構成を示す図であり、(B)が圧力損失測定装置の通気リングの平面図である。It is a figure which shows the structure of a pressure loss measuring apparatus, (A) is a figure which shows the whole structure, (B) is a top view of the ventilation ring of a pressure loss measuring apparatus. パームポロメーターを用いたバブルポイント法により測定される圧力と流量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the pressure measured by the bubble point method using a palm porometer, and flow volume. P1/P2と端子電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between P1 / P2 and a terminal voltage. 微多孔層の透水圧と端子電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the hydraulic pressure of a microporous layer, and a terminal voltage.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る固体高分子型燃料電池1の拡散層構造10を模式的に示す図である。図1は、固体高分子型燃料電池1のカソード側の構成を示しており、本実施形態に係る拡散層構造10は、固体高分子型燃料電池1のカソード側の拡散層にのみ適用されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a diffusion layer structure 10 of a polymer electrolyte fuel cell 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows the configuration of the cathode side of the polymer electrolyte fuel cell 1, and the diffusion layer structure 10 according to this embodiment is applied only to the diffusion layer on the cathode side of the polymer electrolyte fuel cell 1. Yes.

固体高分子型燃料電池1は、図示しない数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造を有する。各セルは、膜電極構造体(MEA)20を、導電性の一対のセパレータで挟持して構成される。図1に示すように、カソード側のセパレータ30には、酸化剤ガス流路31が形成される。   The polymer electrolyte fuel cell 1 has a stack structure in which dozens to hundreds of cells (not shown) are stacked. Each cell is configured by sandwiching a membrane electrode structure (MEA) 20 between a pair of conductive separators. As shown in FIG. 1, an oxidant gas flow path 31 is formed in the separator 30 on the cathode side.

膜電極構造体20は、固体高分子電解質膜21と、この固体高分子電解質膜21の両側に配置されたカソード電極触媒層22及びアノード電極触媒層を備える。
固体高分子電解質膜21は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水を含浸させることで形成される。カソード電極触媒層22及びアノード電極触媒層は、白金等が表面に担持された多孔質カーボン粒子を含んで構成される。膜電極構造体20のカソード側には、本実施形態に係る拡散層構造10が配置されている。
The membrane electrode structure 20 includes a solid polymer electrolyte membrane 21, and a cathode electrode catalyst layer 22 and an anode electrode catalyst layer disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 21.
The solid polymer electrolyte membrane 21 is formed, for example, by impregnating water with a thin film of perfluorosulfonic acid. The cathode electrode catalyst layer 22 and the anode electrode catalyst layer include porous carbon particles having platinum or the like supported on the surface. The diffusion layer structure 10 according to this embodiment is disposed on the cathode side of the membrane electrode structure 20.

本実施形態に係る拡散層構造10は、拡散層11と、微多孔層12と、を備える。拡散層11は、セパレータ30に接して配置されている。微多孔層12は、拡散層11上に形成されて、カソード電極触媒層22に接して配置されている。   The diffusion layer structure 10 according to this embodiment includes a diffusion layer 11 and a microporous layer 12. The diffusion layer 11 is disposed in contact with the separator 30. The microporous layer 12 is formed on the diffusion layer 11 and is disposed in contact with the cathode electrode catalyst layer 22.

拡散層11は、酸化剤ガスとしての酸素を拡散させて、カソード電極触媒層の全体に効率良く酸素を供給する機能を有する。拡散層11としては、カーボンファイバーと炭化樹脂(バインダー樹脂)を含むカーボンペーパーを、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン(FEP)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂で撥水処理したものが用いられる。   The diffusion layer 11 has a function of diffusing oxygen as an oxidant gas and efficiently supplying oxygen to the entire cathode electrode catalyst layer. As the diffusion layer 11, carbon paper containing carbon fiber and carbonized resin (binder resin) is water-repellent treated with a fluororesin such as tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (FEP) or polytetrafluoroethylene (PTFE). Used.

ところで、拡散層を、カソード電極触媒層に直接接触させて配置すると、カソード電極触媒層で生じた生成水が拡散層に浸透し、フラッディング現象が発生する。フラッティング現象が発生すると、固体高分子電解質膜に対する酸素の供給が阻害され、発電性能が低下する。また、拡散層内に生成水が一旦溜まると、溜まった生成水を除去することは容易ではない。   By the way, when the diffusion layer is arranged in direct contact with the cathode electrode catalyst layer, the generated water generated in the cathode electrode catalyst layer penetrates into the diffusion layer, and a flooding phenomenon occurs. When the flatting phenomenon occurs, the supply of oxygen to the solid polymer electrolyte membrane is hindered, and the power generation performance decreases. Further, once the generated water is accumulated in the diffusion layer, it is not easy to remove the accumulated generated water.

そのため本実施形態では、カソード電極触媒層22と拡散層11との間に、微多孔層12が配置されている。図1に示すように、微多孔層12は、水蒸気や酸素は透過するが、液水は透過しない特性を有する。このような特性を有する微多孔層12をカソード電極触媒層22と拡散層11との間に配置することで、拡散層11におけるフラッディング現象の発生が抑制される。   Therefore, in the present embodiment, the microporous layer 12 is disposed between the cathode electrode catalyst layer 22 and the diffusion layer 11. As shown in FIG. 1, the microporous layer 12 has a characteristic of allowing water vapor and oxygen to permeate but not liquid water. By arranging the microporous layer 12 having such characteristics between the cathode electrode catalyst layer 22 and the diffusion layer 11, the occurrence of the flooding phenomenon in the diffusion layer 11 is suppressed.

微多孔層12は、主としてカーボン及びフッ素樹脂から構成される。カーボンとしては、例えば気層法炭素繊維が用いられる。フッ素樹脂としては、例えばテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン(FEP)が用いられる。   The microporous layer 12 is mainly composed of carbon and a fluororesin. As the carbon, for example, an air-layered carbon fiber is used. As the fluororesin, for example, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (FEP) is used.

微多孔層12は、カーボン及びフッ素樹脂を含むペーストを調製し、かかるペーストを、上記の拡散層11上に塗布して熱処理することで形成される。あるいは、上記ペーストを用いて、拡散層11とは別に、シート状に形成したものを用いてもよい。   The microporous layer 12 is formed by preparing a paste containing carbon and a fluororesin, applying the paste on the diffusion layer 11 and heat-treating the paste. Or you may use what was formed in the sheet form separately from the diffusion layer 11 using the said paste.

本実施形態では、拡散層11を空気が透過するときに生じる圧力損失の実測値をP1とし、上記式(1)で定義される拡散層11の圧力損失の理論値をP2としたときに、P2に対するP1の比P1/P2が、2〜15の範囲内に設定されている。P1/P2の値がこの範囲内であれば、広い温度範囲で、加湿状態によらずに安定して高い発電性能が得られる。
なお、P1/P2の値を2〜15の範囲内に調整する方法としては、例えば、拡散層11を構成するカーボンペーパー中のカーボンファイバーと炭化樹脂(バインダー樹脂)の含有比率を変更する手法が挙げられる。
In the present embodiment, when the actual measurement value of the pressure loss generated when air passes through the diffusion layer 11 is P1, and the theoretical value of the pressure loss of the diffusion layer 11 defined by the above formula (1) is P2, The ratio P1 / P2 of P1 to P2 is set in the range of 2-15. If the value of P1 / P2 is within this range, high power generation performance can be obtained stably over a wide temperature range regardless of the humidified state.
In addition, as a method of adjusting the value of P1 / P2 within the range of 2 to 15, for example, there is a method of changing the content ratio of carbon fiber and carbonized resin (binder resin) in the carbon paper constituting the diffusion layer 11. Can be mentioned.

ここで、拡散層11を空気が透過するときに生じる圧力損失の実測値P1の測定方法について、詳しく説明する。
図2は、圧力損失測定装置50の構成を示す図であり、(A)が全体構成を示す図であり、(B)が圧力損失測定装置50の通気リング510の平面図である。
Here, a method of measuring the actual measurement value P1 of the pressure loss that occurs when air permeates through the diffusion layer 11 will be described in detail.
2A and 2B are diagrams illustrating the configuration of the pressure loss measuring device 50, where FIG. 2A is a diagram illustrating the overall configuration, and FIG. 2B is a plan view of the ventilation ring 510 of the pressure loss measuring device 50.

図2(A)に示すように、圧力損失測定装置50は、基部51と、測定試料S(拡散層11)を固定して保持するホルダ部52と、流量を制御して空気を供給するマスフローコントローラ53と、測定試料Sに対して厚み方向に荷重を付加するロードセル54と、空気が導入されるエア導入部56と、測定試料Sを透過した空気を排出するために大気開放されたエア排出部57と、エア導入部56とエア排出部57との差圧を計測する差圧計55と、を備える。   As shown in FIG. 2A, the pressure loss measuring device 50 includes a base 51, a holder 52 that holds and holds the measurement sample S (diffusion layer 11), and a mass flow that controls the flow rate and supplies air. A controller 53, a load cell 54 for applying a load in the thickness direction to the measurement sample S, an air introduction part 56 into which air is introduced, and an air discharge opened to the atmosphere to discharge air that has passed through the measurement sample S And a differential pressure gauge 55 that measures the differential pressure between the air introduction part 56 and the air discharge part 57.

図2に示すように、ホルダ部52は、略水平で互いに対向する上板部521及び下板部522と、これら上板部521及び下板部522にそれぞれ設けられ、測定試料Sを介して互いに対向する位置に設けられた通気リング510,510を備える。
図2(B)に示すように、通気リング510は、円筒形状であり、その内部には環状の溝部512が形成されている。溝部512は、測定試料S側に開口して形成される。また、通気リング510,510の上板部521又は下板部522との接続面513,513には、それぞれ、エア導入部56又はエア排出部57に開口する2つの孔部511,511が設けられている。これにより、エア導入部56から孔部511,511を介して、下板部522に設けられた通気リング510の溝部512内に空気が導入される。また、測定試料Sを透過した空気が、上板部521に設けられた通気リング510の溝部512内に空気が導入され、孔部511,511を介してエア排出部57に排出される。
As shown in FIG. 2, the holder portion 52 is provided on the upper plate portion 521 and the lower plate portion 522 that are substantially horizontal and opposed to each other, and the upper plate portion 521 and the lower plate portion 522, respectively. Ventilation rings 510 and 510 provided at positions facing each other.
As shown in FIG. 2B, the ventilation ring 510 has a cylindrical shape, and an annular groove 512 is formed in the inside thereof. The groove portion 512 is formed to open to the measurement sample S side. In addition, two holes 511 and 511 that open to the air introduction part 56 or the air discharge part 57 are provided on the connection surfaces 513 and 513 with the upper plate part 521 or the lower plate part 522 of the ventilation rings 510 and 510, respectively. It has been. Thereby, air is introduced from the air introduction part 56 into the groove part 512 of the ventilation ring 510 provided in the lower plate part 522 through the hole parts 511 and 511. Further, the air that has passed through the measurement sample S is introduced into the groove 512 of the ventilation ring 510 provided in the upper plate portion 521, and is discharged to the air discharge portion 57 through the holes 511 and 511.

圧力損失測定装置50による拡散層11の圧力損失の測定手順は、次の通りである。
先ず、測定試料S(拡散層11)を、通気リング510,510を介して、ホルダ部52にセットする。次いで、ロードセル54により、測定試料Sに対して下方に所定の荷重を付加する。次いで、マスフローコントローラ53から空気の供給を開始する。すると、エア導入部56から孔部511,511を介して、下板部522に設けられた通気リング510の溝部512内に空気が導入される。通気リング510の溝部512に供給された空気は、測定試料Sを透過して、上板部521に対向して配設されている通気リング510の溝部512内に導入される。そして、孔部511,511を介して、エア排出部57に排出される。このとき、エア導入部56とエア排出部57との差圧を、差圧計55により計測する。これにより、測定試料S(拡散層11)の圧力損失(透過圧損)の実測値P1が測定される。
The procedure for measuring the pressure loss of the diffusion layer 11 by the pressure loss measuring device 50 is as follows.
First, the measurement sample S (diffusion layer 11) is set on the holder portion 52 via the ventilation rings 510 and 510. Next, a predetermined load is applied to the measurement sample S downward by the load cell 54. Next, supply of air from the mass flow controller 53 is started. Then, air is introduced from the air introduction part 56 into the groove part 512 of the ventilation ring 510 provided in the lower plate part 522 through the hole parts 511 and 511. The air supplied to the groove portion 512 of the ventilation ring 510 passes through the measurement sample S and is introduced into the groove portion 512 of the ventilation ring 510 disposed to face the upper plate portion 521. Then, the air is discharged to the air discharge portion 57 through the holes 511 and 511. At this time, the differential pressure between the air introduction part 56 and the air discharge part 57 is measured by the differential pressure gauge 55. Thereby, the actual measurement value P1 of the pressure loss (transmission pressure loss) of the measurement sample S (diffusion layer 11) is measured.

なお、圧力損失測定装置50の測定条件としては、測定試料S(拡散層11)の透過面積が1.86cmであり、供給する空気の流量が2L/分であればよい。また、ガス圧(エア導入部56への投入圧)としては100kPaG、測定面圧としては15kgf/cmとしてよい。 Note that the measurement conditions of the pressure loss measuring device 50 may be that the transmission area of the measurement sample S (diffusion layer 11) is 1.86 cm 2 and the flow rate of supplied air is 2 L / min. Further, the gas pressure (injection pressure to the air introduction unit 56) may be 100 kPaG, and the measurement surface pressure may be 15 kgf / cm 2 .

次に、拡散層11の圧力損失の理論値P2について、詳しく説明する。
拡散層11の圧力損失の理論値P2は、下記式(1)で定義される。

Figure 0005843682
[式(1)中、厚みは上記拡散層の厚み(μm)を表し、空孔率は上記拡散層の空孔率(%)を表し、平均流量細孔径は上記拡散層の平均流量細孔径(μm)を表す。] Next, the theoretical value P2 of the pressure loss of the diffusion layer 11 will be described in detail.
The theoretical value P2 of the pressure loss of the diffusion layer 11 is defined by the following formula (1).
Figure 0005843682
[In the formula (1), the thickness represents the thickness (μm) of the diffusion layer, the porosity represents the porosity (%) of the diffusion layer, and the average flow pore diameter represents the average flow pore diameter of the diffusion layer. (Μm). ]

ここで、固定充填層における単一流体の圧力損失(透過圧損)を表現する式として、コゼニーカルマンの式が知られている。この式は、層内における流路を均一系の毛細管の集合と見なし、ポアズイユの式を適用することで得られる。従って、拡散層11における空気の圧力損失をΔPとすると、ΔPは下記式(2)で表される。

Figure 0005843682
Here, as an expression expressing the pressure loss (permeation pressure loss) of a single fluid in the fixed packed bed, the Cozeny Kalman expression is known. This equation is obtained by regarding the flow path in the layer as a collection of uniform capillaries and applying the Poiseuille equation. Therefore, if the pressure loss of air in the diffusion layer 11 is ΔP, ΔP is expressed by the following formula (2).
Figure 0005843682

上記式(2)において、細孔長さとしては、拡散層11の厚み(μm)を用いることができる。細孔径としては、平均流量細孔径(μm)を用いることができる。そして、αは定数であることから、上記式(2)に基づいて、拡散層11の圧力損失の理論値P2を、上記式(1)のように定義できることが分かる。   In the above formula (2), the thickness (μm) of the diffusion layer 11 can be used as the pore length. As the pore diameter, an average flow pore diameter (μm) can be used. Since α is a constant, it can be seen that the theoretical value P2 of the pressure loss of the diffusion layer 11 can be defined as in the above equation (1) based on the above equation (2).

なお、平均流量細孔径については、パームポロメーター(例えば、PMI社製パームポロメーター)を用いて、バブルポイント法により測定される。
ここで、バブルポイント法とは、表面張力と毛管現象により、細孔中に満たされた液体を押し出すのに必要な圧力を測定することで、試料の最大細孔径や最小細孔径を求める手法である。
The average flow pore size is measured by a bubble point method using a palm porometer (for example, a palm porometer manufactured by PMI).
Here, the bubble point method is a method for determining the maximum pore diameter and the minimum pore diameter of a sample by measuring the pressure required to push out the liquid filled in the pores by surface tension and capillary action. is there.

図3は、パームポロメーターを用いたバブルポイント法により測定される圧力と流量との関係を示す図である。図3に示すように、バブルポイント法では、試料を濡らした状態と乾燥させた状態のそれぞれについて測定を実施することで、濡れ流量曲線を得るとともに、乾き曲線を得る。このとき、濡れ曲線において流量が検出され始める点が最大細孔径(バブルポイント)を表し、濡れ曲線と乾き曲線との交点が最小細孔径を表している。そして、乾き曲線の流量を1/2とした1/2乾き流量曲線(ハーフドライ曲線)を求め、求めた1/2乾き流量曲線と濡れ流量曲線との交点が、平均流量細孔径を表している。
従って、本実施形態では、パームポロメーターにより測定される平均流量細孔径を用い、上記式(1)に従って、拡散層11の圧力損失の理論値P2を算出する。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between pressure and flow rate measured by the bubble point method using a palm porometer. As shown in FIG. 3, in the bubble point method, a wet flow curve is obtained and a dry curve is obtained by measuring each of a wet state and a dry state of the sample. At this time, the point at which the flow rate starts to be detected in the wetting curve represents the maximum pore diameter (bubble point), and the intersection of the wetting curve and the drying curve represents the minimum pore diameter. Then, a 1/2 dry flow curve (half dry curve) in which the flow rate of the dry curve is halved is obtained, and the intersection of the obtained 1/2 dry flow curve and the wet flow curve represents the average flow pore diameter. Yes.
Therefore, in this embodiment, the theoretical value P2 of the pressure loss of the diffusion layer 11 is calculated according to the above formula (1) using the average flow pore diameter measured by the palm porometer.

また、本実施形態では、微多孔層12の透水圧が、5〜180kPaの範囲内に設定されている。ここで、透水圧とは、水が浸入し始める圧力を意味する。本実施形態では、微多孔層12の透水圧は、次のようにして測定される。
先ず、カーボンペーパー上に微多孔層を形成し、これを測定試料とする。次いで、測定試料の微多孔層上に、純水を2ml滴下して水膜を形成する。測定装置として、パームポロメーター(例えば、PMI社製パームポロメーター)を用いて、上記の水膜に徐々に空気圧を付加していき、純水が測定試料の細孔を透過するのに必要な最低圧力を計測する。計測された最低圧力を、微多孔層の透水圧とする。
なお、微多孔層12の透水圧を5〜180kPaの範囲内に調整する手法としては、例えば、微多孔層12中のカーボンの含有量を変更する手法が挙げられる。
Moreover, in this embodiment, the hydraulic pressure of the microporous layer 12 is set in the range of 5 to 180 kPa. Here, the hydraulic pressure means a pressure at which water starts to enter. In the present embodiment, the hydraulic pressure of the microporous layer 12 is measured as follows.
First, a microporous layer is formed on carbon paper, and this is used as a measurement sample. Next, 2 ml of pure water is dropped on the microporous layer of the measurement sample to form a water film. As a measuring device, a palm porometer (for example, a palm porometer manufactured by PMI) is used to gradually add air pressure to the water film, which is necessary for pure water to permeate the pores of the measurement sample. Measure the minimum pressure. Let the measured minimum pressure be the water permeation pressure of a microporous layer.
In addition, as a method of adjusting the water permeation pressure of the microporous layer 12 within a range of 5 to 180 kPa, for example, a method of changing the carbon content in the microporous layer 12 may be mentioned.

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、固体高分子電解質膜21側の拡散層11上に、主としてカーボン及びフッ素樹脂からなる微多孔層12を設けた。また、上記式(1)で表される拡散層11の圧力損失の理論値P2に対する実測値P1の比P1/P2を、2〜15の範囲内に設定した。ここで、拡散層11の圧力損失の理論値P2に対する実測値P1の比P1/P2は、拡散層11内の細孔の屈曲性と相関のあるパラメータである。即ち、P1/P2の値が大きいほど拡散層11内の細孔の屈曲性が高く、細孔が曲がりくねっていることを意味する。従って、P1/P2の値を2〜15の範囲内に制限することにより、細孔の屈曲性を抑制できるため、拡散層11の圧力損失が抑制され、カソード電極触媒層22で生じた水蒸気が効率良く排出される。そのため、カソード電極触媒層22近傍の酸素分圧を高めることができ、発電性能を向上できる。また、水蒸気が効率良く排出されることで、低温時における水蒸気の凝縮が抑制され、フラッティング現象の発生を抑制できる。従って、本実施形態によれば、低温域から高温域まで幅広い温度範囲で、高い発電性能が得られる。特に、低温高加湿時において、高い発電性能が得られる。
According to this embodiment, the following effects are produced.
In the present embodiment, the microporous layer 12 mainly composed of carbon and fluororesin is provided on the diffusion layer 11 on the solid polymer electrolyte membrane 21 side. Further, the ratio P1 / P2 of the actual measurement value P1 to the theoretical value P2 of the pressure loss of the diffusion layer 11 represented by the above formula (1) was set within the range of 2-15. Here, the ratio P1 / P2 of the actual measurement value P1 to the theoretical value P2 of the pressure loss of the diffusion layer 11 is a parameter correlated with the flexibility of the pores in the diffusion layer 11. That is, the larger the value of P1 / P2, the higher the flexibility of the pores in the diffusion layer 11, which means that the pores are winding. Therefore, by limiting the value of P1 / P2 within the range of 2 to 15, the flexibility of the pores can be suppressed, so that the pressure loss of the diffusion layer 11 is suppressed, and the water vapor generated in the cathode electrode catalyst layer 22 is reduced. Efficiently discharged. Therefore, the oxygen partial pressure in the vicinity of the cathode electrode catalyst layer 22 can be increased, and the power generation performance can be improved. In addition, since the water vapor is efficiently discharged, the condensation of the water vapor at a low temperature is suppressed, and the occurrence of the flatting phenomenon can be suppressed. Therefore, according to the present embodiment, high power generation performance can be obtained in a wide temperature range from a low temperature range to a high temperature range. In particular, high power generation performance can be obtained at low temperature and high humidity.

また、本実施形態では、上記P1/P2を上記範囲内に設定するとともに、微多孔層12の透水圧を、5〜180kPaの範囲内に設定した。これにより、カソード電極触媒層22で生成した生成水が微多孔層12を透過して排出されるのを抑制でき、生成水をカソード電極触媒層22側で保持して膜電極構造体20を保湿できるため、加湿状態によらずに高い発電性能が得られる、特に、高温低加湿時において、高い発電性能が得られる。   Moreover, in this embodiment, while setting said P1 / P2 in the said range, the water permeation pressure of the microporous layer 12 was set in the range of 5-180 kPa. As a result, the generated water generated in the cathode electrode catalyst layer 22 can be suppressed from being discharged through the microporous layer 12, and the generated water is held on the cathode electrode catalyst layer 22 side to keep the membrane electrode structure 20 moisturized. Therefore, high power generation performance can be obtained regardless of the humidified state, and particularly high power generation performance can be obtained at high temperature and low humidification.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態では、微多孔層12を、カソード電極触媒層22に直接接するように配置したが、これに限定されない。微多孔層12とカソード電極触媒層22との間に、例えば電解質やカーボン等を含む保水層を設けてもよい。このような保水層を設けることで、加湿条件の変化による発電性能の変動をより抑制できる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, etc. within a scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
In the above embodiment, the microporous layer 12 is disposed so as to be in direct contact with the cathode electrode catalyst layer 22, but is not limited thereto. Between the microporous layer 12 and the cathode electrode catalyst layer 22, for example, a water retention layer containing an electrolyte, carbon or the like may be provided. By providing such a water retention layer, fluctuations in power generation performance due to changes in humidification conditions can be further suppressed.

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   Next, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.

<実施例1>
(1)カソード側拡散層及びアノード側拡散層の作製
カソード側拡散層及びアノード側拡散層として、同一の拡散層を作製した。具体的には、平均流量細孔径27μm、かさ密度0.34g/ 、厚み193μm、目付け66.5g/m及び空孔率0.80%のカーボンペーパーに対して、三井・デュポンフロロケミカル社製テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体FEP分散液「FEP 120−JRB」(固形分濃度54%)を含浸させた後、120℃×30分間の熱処理を実施した。含浸は、熱処理後のFEPの重量%が2.4重量%となるようにして実施した。これにより、カーボンペーパー上に撥水処理が施されたカソード側拡散層及びアノード側拡散層を得た。
得られたカソード側拡散層について、上述の圧力損失測定装置50を用いて拡散層の圧力損失の実測値P1を測定した結果、1.2kPaであった。なお、実測値P1の測定条件としては、拡散層の透過面積を1.86cm、供給する空気の流量を2L/分、ガス圧(エア導入部56への投入圧)を100kPaG、測定面圧を15kgf/cmとした(実施例2〜6及び比較例1〜6についても同様である)。
また、上述の式(1)に従って圧力損失の理論値P2を求め、P1/P2を算出した結果、6.5であった。カーボンペーパーの平均流量細孔径は、PMI社製のパームポロメーターを用いて測定した(以下、同様)。
<Example 1>
(1) Preparation of cathode side diffusion layer and anode side diffusion layer The same diffusion layer was prepared as a cathode side diffusion layer and an anode side diffusion layer. Specifically, the average flow pore size 27 [mu] m, bulk density 0.34 g / c m 3, the thickness 193 nm, a basis weight 66.5 g / m 2 and a porosity 0.80% of carbon paper, DuPont-Mitsui Fluorochemicals After impregnating a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer FEP dispersion “FEP 120-JRB” (solid content concentration 54%) manufactured by Chemical Co., Ltd., heat treatment was performed at 120 ° C. for 30 minutes. The impregnation was carried out so that the weight percent of FEP after heat treatment was 2.4 weight percent. As a result, a cathode side diffusion layer and an anode side diffusion layer in which water repellent treatment was performed on carbon paper were obtained.
With respect to the obtained cathode-side diffusion layer, an actual measurement value P1 of the pressure loss of the diffusion layer was measured using the pressure loss measuring device 50 described above, and as a result, it was 1.2 kPa. As the measurement conditions for the actual measurement value P1, the permeation area of the diffusion layer is 1.86 cm 2 , the flow rate of the supplied air is 2 L / min, the gas pressure (input pressure to the air introduction unit 56) is 100 kPaG, and the measurement surface pressure Was 15 kgf / cm 2 (the same applies to Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 6).
Further, the theoretical value P2 of the pressure loss was obtained according to the above formula (1), and P1 / P2 was calculated and found to be 6.5. The average flow pore size of the carbon paper was measured using a palm porometer manufactured by PMI (the same applies hereinafter).

(2)カソード側微多孔層混合ペーストの調製
電子伝導性と造孔性を兼ね備えた昭和電工社製の気相成長カーボン「VGCF」12g、三井・デュポンフロロケミカル社製テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体FEP分散液「FEP 120−JRB」(固形分濃度54%)20g、エチレングリコール200gをそれぞれ秤量した後、混合してボールミルにより撹拌した。これにより、カソード側微多孔層混合ペーストを調製した。
(2) Preparation of cathode side microporous layer mixed paste 12g of vapor growth carbon "VGCF" manufactured by Showa Denko KK, which has both electron conductivity and pore-forming property, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene manufactured by Mitsui-DuPont Fluorochemical 20 g of copolymer FEP dispersion “FEP 120-JRB” (solid content concentration 54%) and 200 g of ethylene glycol were weighed, mixed, and stirred by a ball mill. Thereby, a cathode side microporous layer mixed paste was prepared.

(3)アノード側微多孔層混合ペーストの調製
キャボット社製カーボン「Vulcan XC72R」12g、三井・デュポンフロロケミカル社製テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体FEP分散液「FEP 120−JRB」(固形分濃度54%)20g、エチレングリコール155gをそれぞれ秤量した後、混合してボールミルにより撹拌した。これにより、アノード側微多孔層混合ペーストを調製した。
(3) Preparation of anode side microporous layer mixed paste 12 g of carbon “Vulcan XC72R” manufactured by Cabot Corporation, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer FEP dispersion “FEP 120-JRB” manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd. (solid) (Minute concentration 54%) 20 g and ethylene glycol 155 g were weighed, mixed and stirred by a ball mill. Thereby, an anode side microporous layer mixed paste was prepared.

(4)カソード側微多孔層の作製
上記(2)で調製したカソード側微多孔層混合ペーストを、上記(1)で作製したカソード側拡散層上にスクリーン印刷した後、380℃×30分間の熱処理を実施した。これにより、カソード側微多孔層を作製した。なお、スクリーン印刷は、カーボンペーパー単位面積あたりのカソード側微多孔層の重量が1.2mg/cm、細孔容積が0.25μL/cmとなるようにして実施した。得られたカソード側微多孔層の細孔径は、PMI社製のパームポロメーターを用いて測定したところ1.1μmであった。また、厚みは35μmであり、上述の測定方法に従って測定した透水圧は6.0kPaであった。
(4) Preparation of cathode-side microporous layer The cathode-side microporous layer mixed paste prepared in (2) above was screen-printed on the cathode-side diffusion layer prepared in (1) above, and then 380 ° C. for 30 minutes. A heat treatment was performed. This produced the cathode side microporous layer. Screen printing was performed such that the weight of the cathode-side microporous layer per unit area of carbon paper was 1.2 mg / cm 2 and the pore volume was 0.25 μL / cm 2 . The pore diameter of the obtained cathode-side microporous layer was 1.1 μm as measured using a palm porometer manufactured by PMI. Moreover, thickness was 35 micrometers and the water permeation pressure measured according to the above-mentioned measuring method was 6.0 kPa.

(5)アノード側微多孔層の作製
上記(3)で調製したアノード側微多孔層混合ペーストを、上記(1)で作製したアノード側拡散層上にスクリーン印刷した後、380℃×30分間の熱処理を実施した。これにより、アノード側微多孔層を作製した。なお、スクリーン印刷は、カーボンペーパー単位面積あたりのアノード側微多孔層の重量が1.2mg/cm、細孔容積が0.09μL/cmとなるようにして実施した。
(5) Preparation of anode-side microporous layer After the anode-side microporous layer mixed paste prepared in (3) above was screen-printed on the anode-side diffusion layer prepared in (1) above, the temperature was 380 ° C. for 30 minutes. A heat treatment was performed. This produced the anode side microporous layer. Screen printing was performed such that the weight of the anode-side microporous layer per unit area of carbon paper was 1.2 mg / cm 2 and the pore volume was 0.09 μL / cm 2 .

(6)触媒ペーストの調製
BASF社製の白金触媒「LSA」に対する、デュポン社製イオン導電性ポリマー溶液「DE2020CS」の重量比「DE2020CS」/「LSA」が0.1となるように秤量した後、ボールミルで撹拌することで、触媒ペーストを調製した。
(6) Preparation of catalyst paste Weighed so that the weight ratio “DE2020CS” / “LSA” of the ion conductive polymer solution “DE2020CS” made by DuPont to the platinum catalyst “LSA” made by BASF becomes 0.1 The catalyst paste was prepared by stirring with a ball mill.

(7)電極触媒シートの作製
上記(6)で調製した触媒ペーストを、PTFE製シート上に白金重量が0.7mg/cmとなるように塗布した後、120℃×60分間の熱処理を実施した。これにより、カソード側電極触媒シートを作製した。
また、上記(6)で調製した触媒ペーストを、PTFE製シート上に白金重量が0.4mg/cmとなるように塗布した後、120℃×60分間の熱処理を実施した。これにより、アノード側電極触媒シートを作製した。
(7) Preparation of electrode catalyst sheet After applying the catalyst paste prepared in (6) above on a PTFE sheet so that the platinum weight is 0.7 mg / cm 2 , heat treatment is performed at 120 ° C. for 60 minutes. did. This produced the cathode side electrode catalyst sheet.
Moreover, after apply | coating the catalyst paste prepared by said (6) so that platinum weight might be set to 0.4 mg / cm < 2 > on a sheet | seat made from PTFE, the heat processing for 120 degreeC x 60 minutes were implemented. This produced the anode side electrode catalyst sheet.

(8)高分子電解質膜への転写
上記(7)で作製したカソード側電極触媒シートを、デカール法により、ジャパンゴアテックス社製の高分子電解質膜「ゴアセレクト」(厚み20μm)の一方の面に転写するとともに、上記(7)で作製したアノード側電極触媒シートを、デカール法により、上記高分子電解質膜の他方の面に転写した。これにより、高分子電解質膜の一方の面にカソード電極触媒層を形成し、他方の面にアノード電極触媒層を形成した。
ここで、デカール法による転写とは、電極触媒シートの電極触媒層側を高分子電解質膜に熱圧着した後に、PTFEシートを剥離することにより、電極触媒層を高分子電解質膜の表面に転写する手法である。
(8) Transfer to Polymer Electrolyte Membrane One side of the polymer electrolyte membrane “GORE SELECT” (thickness 20 μm) manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd. by using the decal method for the cathode side electrode catalyst sheet prepared in (7) above. The anode side electrode catalyst sheet prepared in (7) above was transferred to the other surface of the polymer electrolyte membrane by a decal method. As a result, a cathode electrode catalyst layer was formed on one surface of the polymer electrolyte membrane, and an anode electrode catalyst layer was formed on the other surface.
Here, the transfer by the decal method is to transfer the electrode catalyst layer to the surface of the polymer electrolyte membrane by peeling the PTFE sheet after thermocompression bonding the electrode catalyst layer side of the electrode catalyst sheet to the polymer electrolyte membrane. It is a technique.

(9)膜電極構造体の作製
上記(4)でカソード側微多孔層が形成されたカソード側拡散層と、上記(5)でアノード側微多孔層が形成されたアノード側拡散層とにより、上記(8)で電極触媒層が転写された高分子電解質膜を挟持し、熱圧着することで、膜電極構造体を作製した。熱圧着は、カソード側微多孔層がカソード側電極触媒層と接し、アノード側微多孔層がアノード側電極触媒層と接するようにして、120℃で面圧30kgf/cmの条件で実施した。
(9) Production of membrane electrode structure The cathode side diffusion layer in which the cathode side microporous layer was formed in (4) above and the anode side diffusion layer in which the anode side microporous layer was formed in (5) above, A membrane electrode structure was produced by sandwiching and thermocompression bonding the polymer electrolyte membrane to which the electrode catalyst layer was transferred in (8) above. Thermocompression bonding was performed at 120 ° C. and a surface pressure of 30 kgf / cm 2 so that the cathode side microporous layer was in contact with the cathode side electrode catalyst layer and the anode side microporous layer was in contact with the anode side electrode catalyst layer.

(10)発電性能の評価
上記(9)で作製した膜電極構造体を、金属製の一対のセパレータで挟持した後、アノード側に燃料ガスとしての水素を供給するとともに、カソード側に酸化剤ガスとしてのエアを供給し、発電性能の評価を実施した。発電条件としては、セル温度、アノードガス入口相対湿度、カソードガス入口相対湿度、アノードストイキ及びカソードストイキを表1に示す通りとした。なお、膜電極構造体の電極部の面圧は15kgf/cmとし、膜電極構造体の電極部の面積は54.3cmとした。評価結果を表2に示した。
(10) Evaluation of power generation performance After the membrane electrode structure produced in (9) above is sandwiched between a pair of metal separators, hydrogen as fuel gas is supplied to the anode side, and oxidant gas is supplied to the cathode side. As a result, the power generation performance was evaluated. As the power generation conditions, cell temperature, anode gas inlet relative humidity, cathode gas inlet relative humidity, anode stoichiometry and cathode stoichiometry were as shown in Table 1. The surface pressure of the electrode part of the membrane electrode structure was 15 kgf / cm 2, and the area of the electrode part of the membrane electrode structure was 54.3 cm 2 . The evaluation results are shown in Table 2.

Figure 0005843682
Figure 0005843682

<実施例2>
実施例1の(1)カソード側拡散層及びアノード側拡散層の作製において、平均流量細孔径21μm、かさ密度0.34g/ 、厚み195μm、目付け67g/m及び空孔率0.80%のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例1と同様の操作を実施した。
得られたカソード側拡散層について、上述の圧力損失測定装置50を用いて拡散層の圧力損失の実測値P1を測定した結果、1.2kPaであった。また、上述の式(1)に従って圧力損失の理論値P2を求め、P1/P2を算出した結果、11.2であった。評価結果を表2に示した。
<Example 2>
In the preparation of (1) a cathode side diffusion layer and an anode side diffusion layer of Example 1, the mean flow pore size 21 [mu] m, bulk density 0.34 g / c m 3, a thickness 195, basis weight 67 g / m 2 and a porosity 0. The same operation as in Example 1 was performed except that 80% carbon paper was used.
With respect to the obtained cathode-side diffusion layer, an actual measurement value P1 of the pressure loss of the diffusion layer was measured using the pressure loss measuring device 50 described above, and as a result, it was 1.2 kPa. Further, the theoretical value P2 of the pressure loss was obtained according to the above formula (1), and P1 / P2 was calculated and found to be 11.2. The evaluation results are shown in Table 2.

<実施例3>
実施例1の(1)カソード側拡散層及びアノード側拡散層の作製において、平均流量細孔径27μm、かさ密度0.31g/ 、厚み195μm、目付け60.2g/m及び空孔率0.82%のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例1と同様の操作を実施した。
得られたカソード側拡散層について、上述の圧力損失測定装置50を用いて拡散層の圧力損失の実測値P1を測定した結果、1.3kPaであった。また、上述の式(1)に従って圧力損失の理論値P2を求め、P1/P2を算出した結果、5.2であった。評価結果を表2に示した。
<Example 3>
In the preparation of Example 1 (1) cathode side diffusion layer and an anode side diffusion layer, the mean flow pore size 27 [mu] m, bulk density 0.31 g / c m 3, a thickness 195, basis weight 60.2 g / m 2 and a porosity The same operation as in Example 1 was performed except that 0.82% carbon paper was used.
With respect to the obtained cathode side diffusion layer, the measured value P1 of the pressure loss of the diffusion layer was measured using the pressure loss measuring device 50 described above, and as a result, it was 1.3 kPa. Further, the theoretical value P2 of the pressure loss was obtained according to the above-described formula (1), and P1 / P2 was calculated and found to be 5.2. The evaluation results are shown in Table 2.

<実施例4>
実施例1の(2)カソード側微多孔層混合ペーストの調製において、昭和電工社製の気相成長カーボン「VGCF」12g、三井・デュポンフロロケミカル社製テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体FEP分散液「FEP 120−JRB」(固形分濃度54%)10g、エチレングリコール200gをそれぞれ秤量して混合したこと以外は、実施例1と同様の操作を実施した。得られたカソード側微多孔層の細孔径は、PMI社製のパームポロメーターを用いて測定したところ0.9μmであった。また、厚みは35μmであり、上述の測定方法に従って測定した透水圧(以下、同様)は14.8kPaであった。評価結果を表2に示した。
<Example 4>
In preparation of (2) cathode side microporous layer mixed paste of Example 1, 12 g of vapor growth carbon “VGCF” manufactured by Showa Denko KK, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer FEP manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd. The same operation as in Example 1 was performed, except that 10 g of the dispersion “FEP 120-JRB” (solid content concentration 54%) and 200 g of ethylene glycol were weighed and mixed. The pore diameter of the obtained cathode-side microporous layer was 0.9 μm as measured using a palm porometer manufactured by PMI. Moreover, thickness was 35 micrometers and the water permeation pressure (henceforth the same) measured according to the above-mentioned measuring method was 14.8 kPa. The evaluation results are shown in Table 2.

<実施例5>
実施例1の(4)で作製したカソード側微多孔層の代わりに、樹脂及びカーボンを含む導電性多孔質シート(細孔径0.6μm、厚み38μm、透水圧45.1kPa)を用い、実施例1の(9)の膜電極構造体の作製において、カーボンペーパー上に上記導電性多孔質シートをしわが無いように置き、120℃で面圧30kgf/cmで電極と接合したこと以外は、実施例1と同様の操作を実施した。評価結果を表2に示した。
<Example 5>
Instead of the cathode-side microporous layer produced in (4) of Example 1, a conductive porous sheet (pore diameter 0.6 μm, thickness 38 μm, hydraulic pressure 45.1 kPa) containing resin and carbon was used. In the production of the membrane electrode structure according to 1 (9), except that the conductive porous sheet was placed on carbon paper so as not to be wrinkled, and bonded to the electrode at 120 ° C. and a surface pressure of 30 kgf / cm 2 , The same operation as in Example 1 was performed. The evaluation results are shown in Table 2.

<実施例6>
実施例1の(4)で作製したカソード側微多孔層の代わりに、樹脂及びカーボンを含む導電性多孔質シート(細孔径0.4μm、厚み41μm、透水圧134.4kPa)を用い、実施例1の(9)の膜電極構造体の作製において、カーボンペーパー上に上記導電性多孔質シートをしわが無いように置き、120℃で面圧30kgf/cmで電極と接合したこと以外は、実施例1と同様の操作を実施した。評価結果を表2に示した。
<Example 6>
Instead of the cathode-side microporous layer produced in (4) of Example 1, a conductive porous sheet (pore diameter 0.4 μm, thickness 41 μm, hydraulic pressure 134.4 kPa) containing resin and carbon was used. In the production of the membrane electrode structure according to 1 (9), except that the conductive porous sheet was placed on carbon paper so as not to be wrinkled, and bonded to the electrode at 120 ° C. and a surface pressure of 30 kgf / cm 2 , The same operation as in Example 1 was performed. The evaluation results are shown in Table 2.

<比較例1>
実施例1の(1)カソード側拡散層及びアノード側拡散層の作製において、平均流量細孔径22μm、かさ密度0.47g/ 、厚み188μm、目付け88g/m及び空孔率0.73%のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例1と同様の操作を実施した。
得られたカソード側拡散層について、上述の圧力損失測定装置50を用いて拡散層の圧力損失の実測値P1を測定した結果、0.9kPaであった。また、上述の式(1)に従って圧力損失の理論値P2を求め、P1/P2を算出した結果、19.4であった。評価結果を表3に示した。
<Comparative Example 1>
In the preparation of (1) a cathode side diffusion layer and an anode side diffusion layer of Example 1, the mean flow pore size 22 .mu.m, a bulk density 0.47 g / c m 3, thickness 188 [mu] m, basis weight 88 g / m 2 and a porosity 0. The same operation as in Example 1 was performed except that 73% carbon paper was used.
With respect to the obtained cathode side diffusion layer, the measured value P1 of the pressure loss of the diffusion layer was measured using the pressure loss measuring device 50 described above, and as a result, it was 0.9 kPa. Further, the theoretical value P2 of the pressure loss was obtained according to the above formula (1), and P1 / P2 was calculated and found to be 19.4. The evaluation results are shown in Table 3.

<比較例2>
実施例1の(1)カソード側拡散層及びアノード側拡散層の作製において、平均流量細孔径14μm、かさ密度0.35g/ 、厚み204μm、目付け71g/m及び空孔率0.80%のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例1と同様の操作を実施した。
得られたカソード側拡散層について、上述の圧力損失測定装置50を用いて拡散層の圧力損失の実測値P1を測定した結果、1.3kPaであった。また、上述の式(1)に従って圧力損失の理論値P2を求め、P1/P2を算出した結果、25.7であった。評価結果を表3に示した。
<Comparative Example 2>
In the preparation of (1) a cathode side diffusion layer and an anode side diffusion layer of Example 1, the mean flow pore size 14 [mu] m, bulk density 0.35 g / c m 3, thickness 204Myuemu, basis weight 71 g / m 2 and a porosity 0. The same operation as in Example 1 was performed except that 80% carbon paper was used.
With respect to the obtained cathode side diffusion layer, the measured value P1 of the pressure loss of the diffusion layer was measured using the pressure loss measuring device 50 described above, and as a result, it was 1.3 kPa. Moreover, the theoretical value P2 of pressure loss was calculated | required according to the above-mentioned Formula (1), and it was 25.7 as a result of calculating P1 / P2. The evaluation results are shown in Table 3.

<比較例3>
実施例1の(1)カソード側拡散層及びアノード側拡散層の作製において、平均流量細孔径25μm、かさ密度0.27g/ 、厚み185μm、目付け50g/m及び空孔率0.84%のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例1と同様の操作を実施した。
得られたカソード側拡散層について、上述の圧力損失測定装置50を用いて拡散層の圧力損失の実測値P1を測定した結果、0.4kPaであった。また、上述の式(1)に従って圧力損失の理論値P2を求め、P1/P2を算出した結果、1.6であった。評価結果を表3に示した。
<Comparative Example 3>
In the preparation of (1) a cathode side diffusion layer and an anode side diffusion layer of Example 1, the mean flow pore size 25 [mu] m, bulk density 0.27 g / c m 3, thickness 185 .mu.m, basis weight 50 g / m 2 and a porosity 0. The same operation as in Example 1 was performed except that 84% carbon paper was used.
With respect to the obtained cathode-side diffusion layer, the measured value P1 of the pressure loss of the diffusion layer was measured using the pressure loss measuring device 50 described above, and as a result, it was 0.4 kPa. Further, the theoretical value P2 of the pressure loss was obtained according to the above-described formula (1), and P1 / P2 was calculated and found to be 1.6. The evaluation results are shown in Table 3.

<比較例4>
実施例1の(1)カソード側拡散層及びアノード側拡散層の作製において、平均流量細孔径12μm、かさ密度0.33g/ 、厚み208μm、目付け68g/m及び空孔率0.81%のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例1と同様の操作を実施した。
得られたカソード側拡散層について、上述の圧力損失測定装置50を用いて拡散層の圧力損失の実測値P1を測定した結果、1.79kPaであった。また、上述の式(1)に従って圧力損失の理論値P2を求め、P1/P2を算出した結果、44.5であった。評価結果を表3に示した。
<Comparative Example 4>
In the preparation of (1) a cathode side diffusion layer and an anode side diffusion layer of Example 1, the mean flow pore size 12 [mu] m, bulk density 0.33 g / c m 3, thickness 208Myuemu, basis weight 68 g / m 2 and a porosity 0. The same operation as in Example 1 was performed except that 81% carbon paper was used.
With respect to the obtained cathode-side diffusion layer, the actual measurement value P1 of the pressure loss of the diffusion layer was measured using the pressure loss measuring device 50 described above, and as a result, it was 1.79 kPa. Moreover, the theoretical value P2 of pressure loss was calculated | required according to the above-mentioned Formula (1), and P1 / P2 was calculated, and it was 44.5. The evaluation results are shown in Table 3.

<比較例5>
実施例5のカソード側微多孔層としての導電性多孔質シートの代わりに、細孔径が0.1μm、厚みが48μm及び透水圧が202.5kPaの導電性多孔質シートを用いた以外は、実施例5と同様の操作を実施した。評価結果を表3に示した。
<Comparative Example 5>
Instead of the conductive porous sheet as the cathode-side microporous layer of Example 5, a conductive porous sheet having a pore diameter of 0.1 μm, a thickness of 48 μm, and a water pressure of 202.5 kPa was used. The same operation as in Example 5 was performed. The evaluation results are shown in Table 3.

<比較例6>
実施例1の(2)カソード側微多孔層混合ペーストの調製において、キャボット社製カーボン「Vulcan XC72R」12g、三井・デュポンフロロケミカル社製テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体FEP分散液「FEP 120−JRB」(固形分濃度54%)20g、エチレングリコール155gを秤量して混合したこと以外は、実施例1と同様の操作を実施した。
得られたカソード側微多孔層の細孔径は、PMI社製のパームポロメーターを用いて測定したところ12.1μmであった。また、厚みは39μmであり、上述の測定方法に従って測定した透水圧は3.2kPaであった。評価結果を表3に示した。
<Comparative Example 6>
In the preparation of the cathode side microporous layer mixed paste of Example 1, 12 g of carbon “Vulcan XC72R” manufactured by Cabot Corporation, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer FEP dispersion “FEP” manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd. The same operation as in Example 1 was carried out except that 20 g of “120-JRB” (solid content concentration 54%) and 155 g of ethylene glycol were weighed and mixed.
The pore diameter of the obtained cathode-side microporous layer was 12.1 μm as measured using a palm porometer manufactured by PMI. Moreover, thickness was 39 micrometers and the water permeation pressure measured according to the above-mentioned measuring method was 3.2 kPa. The evaluation results are shown in Table 3.

Figure 0005843682
Figure 0005843682

Figure 0005843682
Figure 0005843682

図4は、表2及び表3の結果に基づいて、P1/P2と端子電圧(1.25A/cm)との関係を示す図である。図4に示すように、P1/P2が2〜15の範囲内である実施例1〜3は、P1/P2が2〜15の範囲外である比較例1〜4と比べて、50℃及び70℃いずれの温度条件下でも高い発電性能を示していることが分かる。この結果から、P1/P2を2〜15の範囲内に設定する本願発明によれば、広い温度範囲で安定して高い発電性能が得られることが確認された。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between P1 / P2 and the terminal voltage (1.25 A / cm 2 ) based on the results of Tables 2 and 3. As shown in FIG. 4, Examples 1 to 3 in which P1 / P2 is in the range of 2 to 15 are 50 ° C. and Comparative Examples 1 to 4 in which P1 / P2 is out of the range of 2 to 15. It can be seen that high power generation performance is exhibited under any temperature condition of 70 ° C. From this result, it was confirmed that according to the present invention in which P1 / P2 is set in the range of 2 to 15, high power generation performance can be stably obtained in a wide temperature range.

図5は、表2及び表3の結果に基づいて、微多孔層の透水圧と端子電圧(1.25A/cm)との関係を示す図である。図5に示すように、微多孔層の透水圧が5〜180kPaの範囲内である実施例1及び4〜6は、微多孔層の透水圧が5〜180kPaの範囲外である比較例5及び6と比べて、カソードガス入口相対湿度が25%及び73%のいずれの加湿条件下でも高い発電性能を示していることが分かった。この結果から、微多孔層の透水圧を5〜180kPaの範囲内に設定する本願発明によれば、加湿状態によらずに安定して高い発電性能が得られることが確認された。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the water permeation pressure of the microporous layer and the terminal voltage (1.25 A / cm 2 ) based on the results of Tables 2 and 3. As shown in FIG. 5, Examples 1 and 4 to 6 in which the water permeation pressure of the microporous layer is within the range of 5 to 180 kPa are compared with Comparative Example 5 and the water permeation pressure of the microporous layer is outside the range of 5 to 180 kPa. Compared to 6, it was found that the cathode gas inlet relative humidity was higher under both humidification conditions of 25% and 73%. From this result, it was confirmed that according to the present invention in which the hydraulic pressure of the microporous layer is set within the range of 5 to 180 kPa, high power generation performance can be stably obtained regardless of the humidified state.

以上より、P1/P2を2〜15の範囲内に設定するとともに、微多孔層の透水圧を5〜180kPaの範囲内に設定する本願発明によれば、広い温度範囲で、加湿状態によらず安定して高い発電性能が得られることが確認された。   From the above, according to the present invention in which P1 / P2 is set in the range of 2 to 15 and the water permeation pressure of the microporous layer is set in the range of 5 to 180 kPa, it is not affected by the humidified state in a wide temperature range. It was confirmed that stable and high power generation performance can be obtained.

1…固体高分子型燃料電池(燃料電池)
10…拡散層構造
11…拡散層
12…微多孔層
20…膜電極構造体
21…固体高分子電解質膜(電解質膜)
22…カソード電極触媒層
30…セパレータ
31…酸化剤ガス流路
1. Solid polymer fuel cell (fuel cell)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Diffusion layer structure 11 ... Diffusion layer 12 ... Microporous layer 20 ... Membrane electrode structure 21 ... Solid polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane)
22 ... Cathode electrode catalyst layer 30 ... Separator 31 ... Oxidant gas flow path

Claims (2)

電解質膜の両側に電極が設けられた膜電極構造体に配置された燃料電池の拡散層構造であって、
拡散層と、前記電解質膜側の前記拡散層上に形成され且つ主としてカーボン及びフッ素樹脂からなる微多孔層と、を備え、
透過面積1.86cmの前記拡散層に対して流量2L/分の空気が透過するときに生じる圧力損失の実測値をP1とし、下記式(1)で定義される前記圧力損失の理論値をP2としたときに、前記P2に対する前記P1の比P1/P2を前記拡散層内の細孔の屈曲性と相関づけたパラメータとして、2〜15の範囲内に調整するとともに
前記微多孔層の透水圧を前記膜電極構造体の保湿性と相関づけたパラメータとして、5〜180kPaの範囲内に調整して作製されたことを特徴とする燃料電池の拡散層構造。
Figure 0005843682
[式(1)中、厚みは前記拡散層の厚み(μm)を表し、空孔率は前記拡散層の空孔率(%)を表し、平均流量細孔径は前記拡散層の平均流量細孔径(μm)を表す。]
A diffusion layer structure of a fuel cell disposed in a membrane electrode structure in which electrodes are provided on both sides of an electrolyte membrane,
A diffusion layer, and a microporous layer mainly formed of carbon and fluororesin and formed on the diffusion layer on the electrolyte membrane side,
The actual value of the pressure loss defined by the following equation (1) is defined as P1, where P1 is an actual measurement value of the pressure loss that occurs when air of 2 L / min flows through the diffusion layer having a permeation area of 1.86 cm 2. When P2, the ratio P1 / P2 of P1 to P2 is adjusted within the range of 2 to 15 as a parameter correlated with the flexibility of the pores in the diffusion layer ,
A diffusion layer structure for a fuel cell produced by adjusting the water permeation pressure of the microporous layer within the range of 5 to 180 kPa as a parameter correlated with the moisture retention of the membrane electrode structure.
Figure 0005843682
[In the formula (1), the thickness represents the thickness (μm) of the diffusion layer, the porosity represents the porosity (%) of the diffusion layer, and the average flow pore diameter is the average flow pore diameter of the diffusion layer. (Μm). ]
電解質膜の両側に電極が設けられた膜電極構造体に配置された燃料電池の拡散層構造の製造方法であって、
拡散層と、前記電解質膜側の前記拡散層上に形成され且つ主としてカーボン及びフッ素樹脂からなる微多孔層と、を備え、
透過面積1.86cm の前記拡散層に対して流量2L/分の空気が透過するときに生じる圧力損失の実測値をP1とし、下記式(1)で定義される前記圧力損失の理論値をP2としたときに、前記P2に対する前記P1の比P1/P2を前記拡散層内の細孔の屈曲性と相関づけたパラメータとして、2〜15の範囲内に調整するとともに、
前記微多孔層の透水圧を前記膜電極構造体の保湿性と相関づけたパラメータとして、5〜180kPaの範囲内に調整することを特徴とする燃料電池の拡散層構造の製造方法。
Figure 0005843682
[式(1)中、厚みは前記拡散層の厚み(μm)を表し、空孔率は前記拡散層の空孔率(%)を表し、平均流量細孔径は前記拡散層の平均流量細孔径(μm)を表す。]
A method for producing a diffusion layer structure of a fuel cell disposed in a membrane electrode structure in which electrodes are provided on both sides of an electrolyte membrane,
A diffusion layer, and a microporous layer mainly formed of carbon and fluororesin and formed on the diffusion layer on the electrolyte membrane side,
The actual value of the pressure loss defined by the following equation (1) is defined as P1, where P1 is an actual measurement value of the pressure loss that occurs when air of 2 L / min flows through the diffusion layer having a permeation area of 1.86 cm 2. When P2, the ratio P1 / P2 of P1 to P2 is adjusted within the range of 2 to 15 as a parameter correlated with the flexibility of the pores in the diffusion layer,
A method for producing a diffusion layer structure for a fuel cell, comprising adjusting the water permeation pressure of the microporous layer within a range of 5 to 180 kPa as a parameter correlated with moisture retention of the membrane electrode structure.
Figure 0005843682
[In the formula (1), the thickness represents the thickness (μm) of the diffusion layer, the porosity represents the porosity (%) of the diffusion layer, and the average flow pore diameter is the average flow pore diameter of the diffusion layer. (Μm). ]
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